新型往复走丝电火花线切割机床设计

工 艺 装备 电 加工与模具 2 0 1 5 年增刊1 新型往复走丝电火花线切割机床设计 张旭 东 岳伟栋 1 杭州华方数控机床有限公 司 浙江杭州 3 1 0 0 2 4 2 南京航空航天大学机 电学 院 江苏南京 2 1 0 0 1 6 摘 要 目前 的往 复 走 丝 电火花 线切 割 机床 大 多采 用机 床 本体 电 气箱 工作 液 箱三 者分 离的分 体 式结构 其储运较复杂 有些采用一体式结构的 由于电气箱 紧凑安装 于机床本体上 电气箱所 带来的热量导入床体后会对机械精度产生不利影响 且工作液箱使 用时还是分离的 针对这些弊 端 研发 了新型一体式结构的往复走丝电火花线切割机床 同时通过特殊隔热设计 克服 了目前一 体 式结 构的 缺 陷 提 升 了机 床 的整 洁 美观 和 自动化 程度 关键词 往复走丝 电火花线切割 一体式 隔热 自动化 整洁 中图分 类号 T G 6 6 1 文献 标识 码 A 文章 编号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 5 S 1 0 0 5 9 0 4 De s i g n o f a Ne w Ty p e o f Re c i p r o c a t i n g Tr a v e l l i n g W i r e El e c t r i c a l d i s c h a r g e M a c h i n e s Zh a n g Xud o n g Yue W e i d o ng 2 1 H a n g z h o u H u a F a n g C N C Ma c h i n e T o o l s C o L t d Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 4 C h i n a 2 N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 C h i n a Ab s t r a c t S p l i t t y p e s t r u c t u r e i s w i d e l y u s e d i n h i g h s p e e d wi r e c u t e l e c t ri c d i s c h a r g e ma c h i n e T h e ma c h i n e b o d y t h e e l e c t ri c a l c a b i n e t a n d t h e d i e l e c t r i c fl u i d c i s t e r n a r e d e t a c h e d Th i s s t r u c t u r e i s d i f fic u l t i n s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n On a c c o u n t o f t h o s e d e f e c t s a l l i n o n e s t ruc t u r e i s c o n d u c t e d b u t t h e h e a t p r o d u c e d b y t h e e l e c t r i c al c a b i n e t wi l l h a v e d e t rime n t a l e f f e c t s o n me c h a n i c a l p r e c i s i o n I n a dd i t i o n t h e d i e l e c t ric flu i d c i s t e rn i s s t i l l s p l i t I n v i e w o f t h e s e d i s a d v a n t a g e s n e w h i g h s p e e d wi r e c u t e l e c t ric d i s c h a r g e ma c h i n e i s d e s i g n e d a n d i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r Be c a u s e o f t h e r mal i n s u l a t i o n d e s i g n s o me d i s a d v a n t a g e s a r e o v e r c a me a n d ma c h i n e t o o l S a e s t h e t i c s a n d t h e d e g r e e o f a u t o ma t i o n a r e i mp r o v e d Ke y wo r d s r e c i p r o c a t i n g t r a v e l l i n g WEDM a l l i n o n e s t r u c t u r e t h e rm a l i n s u l a t i o n a u t o ma t i o n ma c h i n e t o o l s a e s t he t i c s 往复走丝 电火花线切割机床整机 由三部分 组 成 一是机床本体 包括床身底座 贮丝走丝部件 l 坐标 工作 台等 二是 电控柜 包 括加工轨迹与 伺服进 给控制系统 脉冲电源等 三是工作液箱 是 工作液循环与过滤的中转站 常用的往复走丝电火 花线切 割机床的这三部分在工作时是各 自分置 的 彼此是通过 电缆 水 管连接的 人 为造 成的电缆损 坏和水 管与工作液箱接 口处溢漏概率大 存在生产 安全隐患 影响生产环境的清洁和设备的整洁 同 时占地面积大 有 的机床尽管是一体结构的 但在 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 2 5 第一作者 简介 张旭东 男 1 9 6 0年生 工 程师 更换工作液时也需通过人力搬运工作液箱 人力倾 倒废液和配兑工作液 针对以上传统分体和一体式机床存在 的弊端 提出了全新 的概念 设计 了一种新型一体式往复走 丝电火花线切割机床 通过结构的系统设计 解决 了上述缺陷 提高了机床的自动化程度 1 电气箱紧凑安装于机床时的隔热设计 1 1 电气箱安装时隔热设计的必要性 设计 的新 型一体式往 复走丝 电火花线切割机 床将电控柜分拆安装 到机床本体上 采用 电气箱紧 凑安装在机床本体上的方式 即把电气箱贴合在机 床本体表面上 但直接贴合安装存在热传导带来的 一 5 9 电加 l 与 模具 2 0 l 5 年增刊1 工 艺 装备 热 变形 问 题 电气 系统 由大量 电气 元件 组 成 这 些 电 气元 件 统一 安 装 在 电气 箱 中 工 作 时 这些 电气 元 件 会 产 生 大量 的热 量 如 果 直 接 贴 合 安 装 这 些 热量将传导至机床本体而产生热变形 影响机床精 度 因此 有必要在机床本体与电气箱之间做隔热 处理 阻隔电气箱体表面的热量 向机床本体传递 1 2 新 型 一体式 机 床 电气箱 贴 合安装 的设 计 采取的隔热设计是在机床本体与 电气箱各 相 向而 之 间 形 成 一 薄 形 循 环 气 腔 四周 密 闭 设 进 出 气 口 使气腔内的空气与外部持续循环 图 l 和图 2 是电气箱主要安装在床身本体的右侧与后侧 安装 时 增 加 了特 别 没计 的 隔热 结 构 包 括 隔热 材 料 条 隔热胶木等 其中 隔热材料条分别固定在机床 床 身右侧 与后方的上下两端 然后 再在 中间区域 固 定可支撑 电气箱重量的若干隔热胶木 胶木两端采 用 螺 栓连 接 其 高 度 与隔 热 材料 条 持平 接 着 在 机 床床身的右侧与后方分别安装电气箱 电气箱通过 隔热胶木用螺栓连接 固定 箱中装有机床所需的电 气元件 且隔热材料条保持与两侧电气箱 的紧密接 触 从 而在电气箱与机床床身之间形成一个连贯的 簿 形气 腔 同时 在气 腔 的末 端 即后 侧 电气箱 最 左 处安装一个气腔对流风扇 机床工作时 电气箱中 的电气元件产生的热量 一部分被电气箱散热系统 带 出箱体 一部分传导到箱体表面 在与机械床 身 相 向面大部被气腔阻隔 同时 通 过气腔风扇 的转 动 带动气腔中的空气按同一方向进行流动 从 而 将气腔 中少量的热量带走 面 1 床 身本 体三 维 图 1 3 薄型气腔隔热原理 根据工程传热学 如果电气箱与床身直接贴 合 固定 的 时候 两 者之 间 的热 量 扩散 可 近 似看 成 是 金 属 体 内部 的传 递 由于 金 属 是 热 的 良导 体 故热 量 就会很快传导至机床床身 新型一体式往复走丝 电火花线切割机床 的电 气箱与机床床身固定安装结构见图 3 右侧与后侧 电气箱体 机床床身和隔热材料条共同构建了一 个 气 腔 在 气 腔 对 流 风 扇 的带 动下 空气 按 箭 头 方 向 进行单向流动 这种情况下 热量的传递将不再是 一 6 0 一 直接 热 传导 的形 式 隔热胶木 图 2新型往复走 丝电火花线切割机床电气箱安装 图 图 3热 量传 导 不恿 图 首先 电气箱体表面的热量在与气腔空气接触 而发生热 交换 热交换 以对流换热 导热 和热对流 两种基本传热方式共 同作用结果 的方式形成 在 此过程中 热量 的流通量 符合牛顿冷却公式 A L i t 式中 h为表面传热系数 A为面积 A t 为温度差 由 于接 触 面 是一 定 的 可得 表 面 对流 换热 过 程 的热 流 密度 l hq t t L i t l A 对 于 受迫 流 动 的空 气 来说 h随 着 空气 流 动 速 度 的改 变 而改 变 范 围介 于 1 0 1 0 0 W m K 之 间 所 以 q 一 1 0 1 0 0 A t 接 着 当热量 进 入 空气 通 道 后 其传递路径又可分为两条 一是在风扇的驱动 下 发生 受 迫对 流 随着 空气 的 流动 一起 散 发 至通 道 外 二 是 沿 空 气 流 动 的 法 向进 行 自发性 的热 传 导 伴 随 着 少量 的热 辐 射 对 于热 量 的法 向热 传导 其过程符合傅里叶定律 一AA 这里 由于传导距 离和温度差具有常物性 故公式可 变为 工 艺 装备 电 加工与模具 2 o 1 5 年增刊1 qb A A 等 式中 A为材料 的导热 系数 6为导热距离 即空气 气 腔宽度 a t 为温度差 同样 可得热流密度 q 2 A A t 由于空气 的导热 系数仅为 0 0 2 6 W m K 取 8 3 O mm 可得其热流密度 q 2 0 8 7 A t 可见 q 2 远 小 于 g 1 通过上述分析可知 电气箱体表面所带 的热量 将大量集 中在箱体表面 法向热传导速度较慢 单 位时间内空气气腔所吸收的热量较少 而当气腔内 的空气进行受迫流动时 气腔 中少量的热量也会随 空气流动路径 以对 流的方式迅速向外传递 因此整 个气腔结构起到了隔热 的效果 如果电气箱直接贴合安装 热量将主要 以热传 导 的方式传递 此时 其传递 过程 同样符合傅 里叶 定律 由于金属的导热系数 Ai 2 0 W m K 在相同 的导热距离下 B 3 0 m m 其热流密度 q 3 6 6 7 A t 0 可见 g 远远大于 g 与 q 由此可见 与直接贴合安 装 的电气箱相 比 拥有空气气腔隔热设计的结构对 机床本体的热影响将几乎为零 2 新概念 工作液 自动供给 系统 传统 的工作液供 给系统仅 由工作液 箱和水泵 组成 本设计的工作液 自动供给系统是一种全新 的 工作液供给系统 它直接安装在机床本体上 同时 增加 了 自主的配液与换液功能 替代 了人工操作 提高 了机床 自动化程度 并使机床更整洁 工作液 自动供给系统包括原液箱 配液水箱 工作液箱 搅 拌装置 加热温控装置 电磁阀等部件 在水箱 中还 装有若干水位传感器 图 4 水 液箱 阔 图 4工作液 自动供给系统 2 1 工作液自动供给系统工作原理 工作液 自动供给系统具体工作原理见图 5 当 水位 d时 此时电磁 阀 3打开 M1 M2停止 直到 工作 液箱 中的工作液到达水位 c时 电磁阀 3关 闭 M1工作 将工作液抽到工作 区域 当水位 b 时 说明配液水箱中的工作液没有了 此时电磁阀 3 关 闭 电磁阀 1 3开始工作 工作液原液 由原液箱流 到配液水箱 中 直到配液水箱中的工作液原液到达 水位 厂 时 水位传感器 1 4可上下移动 根据所用工 作 液的配 比进行调整 电磁 阀 1 3关 闭 然后 电磁 阀 1 6打开 自来水 流入配液箱 直到配液箱中的混 合液水 位达到 n时 电磁阀 l 6关闭 接着 搅拌棒 和加 热 温 控装 置 J i 热 温控 装 置可 根据 温 度 自动 调 节加热 温度并保持一段时 间 工作 搅拌加热数分 钟后停 止 而 电磁 阀 3打开 若从工作液箱 中的传 感器反 馈的信息是工 作液箱 中工作 液足够将不进 行放液 若此时工作液箱中水位在 d以下将进行加 液 当工作液失效时 脉冲利用率达到某临界值 电磁阀 3关闭 M1 停止工作 此时 M2将运行把失 效工作液抽到废水池 中 待到抽完时 此时水位在 d 以下 重复上述步骤 自来水 加工区 废液池 6 1 水位传感器2 加热温控装置3 可调式水位传感器 4 电磁阀5 原液箱6 电磁 阀7 配液水箱 8 搅拌装置9 1 0 水位传感器1 1 电磁阀 1 2 1 3 水位传感器1 4 水泵1 5 工作液箱l 6 水泵 图 5 工作液 自动供 给系统原理图 2 2 工作 液 自动供 给 系统优 势分 析 对 比传统的往 复走 丝电火花线切割工作液供 给系统 本设计的工作液 自动供给系统优化 了配兑 工作液及后期工作液处理等繁琐问题 具体优势体 现在 以下几方 面 1 传统 的往复走丝 电火花线切割加 工时 需 靠人为判定工作液的失效 新型工作液 自动供给系 统则 以脉 冲利用率为标准对工作液的失效进行定 量检测 不需操作人员经常性 的人工观察判断工作 液是 否 失效 2 传统的往复走丝电火花线切割在更换工作 一 61 电 加工与模具 2 o 1 5 年增刊1 工 艺 装备 液 时 操作人员需把装有失效 的脏工作液水箱 约 7 0 从车间机床边搬运到下水道 口用人力倾倒 然后人工配兑工作液 再继续切割 全过程繁琐 费 时 费力 且会对工作环境造成污染 新型工作液 自 动供给系统在检测到工作液失效后 可 自动抽出废 工作液并更换新工作液继续加工 且新工作液的配 兑可在废液抽出之前完成 3 传统的往复走丝电火花线切割机床工作液 配兑需靠操作人员人为接人 自来水注满水箱 再搬 运 回车间机床边 称重后按 比例算出所需工作原液 的重量 加入水箱 中 再 由人工搅拌将其均匀混合 然后才能继续切割 新型工作液 自动供给系统在工 作液的配兑上完全摒弃了人工操作 当需要添加新 工作液时 自动开始配兑 且通过传感器 的控制可实 现工作原液与水的精确配比 4 在一 些情 况 下 工 作 液还 未失 效 但 水 量 已 不够 如夏天高温时期 工作液挥发严重 工作液量 低于水位 e时 传统情况下 操作人员需及时发现 该情况并进行补液 否则就会使加工非正常中止 并有可能损坏水泵 而在新型工作液 自动供给系统 下 工作液系统可 自动检测到工作液的不足 并及 时进行补液 新 型工作液 自动供给系统 实现 了从 配液 供 液 补液 换液和工作液状态检测全过程 的 自动化 及智 能化 提高了加工效率 加工质量 和加工 的连 续性 减轻了劳动强度 同时 避免 了人工操作时的 脏液溢漏和人为随意倾倒废液造成的环境污染 3 新型机床 的其他 自动化设计 对新型一体式往复走丝线切割机床 的整体结 构进行了新 的布局设计 增加 了钣金外罩 使机床 更整洁 环保 图 6 同时 对机床的照明系统 上丝 机构重新进行设计 提高了机床的 自动化程度 机床原照明方式采用的是 单点设置 的光源 通过人工操作调整照明区域 但仍存在照明死 角 而新型机床采用 了 多点设置 光源 即根据机床工 作所需 在照明区域设置多个固定光 源 无需人工 调整 实现工 作 区域全 覆盖 新型机床采用 自主研发 的 自动定张力上丝系 统 上丝时只需操作人员将 电极丝一端紧固在贮丝 筒上 之外无需人工干预 就能 自动完成上丝和匀 丝操作 使传统的靠人工上丝和